石墨烯的光电特性及应用

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D01：10.19392/j. cnki. 1671-7341.201713075

石墨烯的光电特性及应用

孙玥

华东师范大学上海200241

摘要:石墨烯是纳米尺度的碳材料，具有很大的比表面积、良好的导电性及优秀的机械性质等特性。这些性质使得这种材

料在很多领域都有极高的应用前景，本文以石墨烯材料为综述对象，介绍了它的基本性质、光电学特性，同时将对石墨烯在电子学 领域中的发展前景进行展望，并提出一些个人观点及总结。

关键词：石墨烯;光电学特性；应用；前景展望一、 石墨烯的基本性质

石墨烯是由单层的碳原子构成，所以它是地球上到目前为 止已知的最薄的纳米材料[1]，由于石墨烯的每个碳原子均为 sp2杂化，而且把剩下在P轨道上的一个电子形成大）键，）电 子是能够任意转移的，所以优异的导电性能也是石墨烯的性能 之一，它还是地球上电阻率最小的纳米材料，电阻率仅有约 1063 • cm #在常温下，石墨烯中碳原子与碳原子之间的作用 力非常强，即使周围的碳原子发生了移动，碳原子中的电子也 不容易被影响，电子在石墨烯中移动时也不容易散射，迁移率 可达2x105cm2/V • S2]，硅的电子迁移率只有石墨烯的百分 之一#石墨烯的力学性能也是很好的，到目前为止，在所有人们 知道的材料中，石墨烯的强度和硬度最高，它的晶体结构非常 稳定。其抗拉强度和弹性模量分别为123GP8和1.09TPa。因 此石墨烯可以作为一种二维增强相，在复合材料领域有很大的 应用价值。

二、 石墨烯材料主要特性(一） 石墨烯的电学性质石墨烯是由S2杂化的碳原子构成，这种构成方式会多出 一个P轨道的电子，从而形成大）键，）电子可以自由的移动， 这赋予了石墨烯优异的电子学性能。石墨烯原子与原子之间 的引力和排斥力都很强，在常温状态，石墨烯内部的电子很少 会受到外部影响，电子在移动时不容易产生散射现象，迁移率 是硅中电子的130倍，其电导率达到了 106S/m，是常温下导电 性最佳的材料。另外石墨烯还具有半金属特性，它的导带和价 带之间有一部分是重叠的。利用这一特性，人们已经开始试着 把石墨烯应用到高性能的场效应管中。现制造大面积的石墨 烯薄膜的技术已经比较成熟，这加大了它在电子信息领域应用 的可能性。石墨烯晶格具有六方对称性。

(二） 石墨烯的光学性质石墨烯有着非常优良的透光性，在近红外，以及可见光波 段的透光率，单层石墨烯可高达98%。在可见光区，单原子层 厚度的石墨烯所反射的光小于人射光的0. 1%，当达到数十层 时，会上升到2%左右。K等人对石墨烯进行了研究，利用 700—8000cm1谱段，发现石墨烯内部结构中存在多子交互作用 (Many—Body Interactions) [3]。石墨烯是一种“光学透明”的导 体，具有稳定的晶格结构，电子在石墨烯上以恒定的速率移动， 石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。石墨烯里电子 的有效质量为零，这和光子的行为极为相似。

三、 应用于电子学领域的思考

我们可以利用石墨烯来制造整个芯片，这是由于石墨烯是 零带隙半导体，其运送电子的速率比硅快几十倍，那么石墨烯 器件制成的计算机运行速率也将会远远超过现有的传统计算 机。此外，石墨烯本身就是最薄的材料，用它制造晶体管时不 像硅材料需要“切”得很小。因此，有可能解决目前工艺上缩小 晶体管尺寸带来的诸多问题，实现超大规模集成。同时，石墨

烯导热性非常好，对于解决CPU的散热问题很有实际意义。除 了利用石墨烯开发出高响应频率的晶体管，石墨烯高迁移率、

低噪声的特性使其亦能够用于场效应管。我想，随着人们对于 石墨烯材料研究的不断深人，由二位石墨烯卷曲所得的碳纳米 管组成的分子导线、二极管、场效应管、单电子晶体管亦不断出 现，这些部件经过有机组合必定能完成一定逻辑功能的电路。

四、 石墨烯其他应用的个人设想

正如前文提到的石墨烯有许多的优异的性质，那么必然是 有巨大并未曾被人们发现或者说提到的应用方式。在这里，我 想写一些我所认为的石墨烯有可能的新的应用。

(一） 建筑领域

石墨烯的力学强度是钢铁的一百倍，那么我们是否可以将 石墨烯卷曲后并且制成可见长度的石墨烯绳索替代建筑领域 里的钢筋绳获得更高强度的支撑。首先，石墨烯经过卷曲可以 形成碳纳米管，那么如果我们可以生长出宏观尺度的二维石墨 烯平面就可以制成一条长的碳管，然后我们可以将许许多多束 碳管绞合在一起，当然，这需要十分多的碳管才能形成宏观尺 寸的石墨烯绳索，不过一旦制成，它的强度将远超现有的钢筋， 另外由于石墨烯绳索是由微观到宏观的一个生长过程，过程可 控，未达到应力极限下发生断裂的可能性很小。

(二） 电力领域

由于石墨烯的超高的电子迁移率的电学特性，我们完全可 以用石墨烯替代传统的电缆及铜线等，降低电流在输运过程当 中的损耗。石墨烯上电子的迁移率极高，也就是说电导率高、 电阻率小，电流通过时可以保持较低的损耗，具体实现方式可 以是将石墨烯制成线型，替代现有城市间和城市里的电力输送 网，这样可以极大的节省能源，，结合石墨烯线的高强度力学特 性，更可以降低高压电线断裂的可能性，降低事故发生的隐患。

(三） 过滤方向

由于石墨烯的六角结构，且为纳米尺度的单层二维材料， 那么我们可以将其制成海水过滤器件，这样小型的水分子可以 较易通过器件，而较大的杂质则会被阻挡在外。具体可以将石 墨烯平铺，用电子束在其上轰击出适于水分子通过的分子大小 的小孔来，而水分子由两个H +和一个0-离子组成，体积较小， 这样海水中其他的元素，诸如Cl、Na、Mg等则通不过石墨烯层， 可达到过滤海水的目的。

五、 总结与感想总的来说，石墨烯这种材料在未来必定有着广阔的应用前 景，不管是随着摩尔定律逐渐达到极限，石墨烯替代硅的主流 研究方向，还是我所提出的一些不成熟的但的确具有可行性的 其他应用方向，石墨烯作为一种新型材料的代表，也一定还有 着更多更有意义的应用方式去值得我们探究。然而我认为尽 管石墨烯有着美好可见的应用前景，但是高质量、单层石墨烯 却仍只能由实验室来进行制备。而要实现前文所述的那些应 用，我们目前的耽误之急则应该是解决大面积、高纯净的石墨 烯的工业生产问题。

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